CN218646470U - 基片式增敏光纤光栅温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基片式增敏光纤光栅温度传感器，包括：基片主体；所述基片主体为矩形片；所述基片主体表面沿着中轴线方向设有凹槽；所述基片主体两侧的中间位置均设有耳片结构。选用热膨胀系数比较大的铝合金作为基底材料，提高了基片式增敏光纤光栅温度传感器的灵敏度。

Description

基片式增敏光纤光栅温度传感器

技术领域

本实用新型涉及温度传感器技术领域，特别是涉及基片式增敏光纤光栅温度传感器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本实用新型相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

温度测量对开展航空航天、石油电力、资源勘探、地震前兆等领域的监测研究具有重要意义。近年来，温度传感器作为温度测量关键仪器之一，已经广泛应用于大型结构和环境安全的监测中，而传统的电学传感器因其容易受到电磁干扰，应用范围有限。光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)作为一种光学传感元件，具有体积小、稳定性强、抗电磁干扰和测量精度高等优点，使其能够在大型结构健康监测、油气勘探、地震前兆等领域替代传统电学传感器，提高恶劣环境中远程在线监测的能力。

近年来，国内外对光纤光栅温度传感器进行了广泛深入的研究。Sengupta D等人发现聚丙烯酸甲酯(Polymethacrylates)可以明显提高光纤光栅传感器测温灵敏度，而且涂覆层厚度越大，效果越明显。魏昊文等人使用硅橡胶、环氧树胶对光纤光栅进行有机涂覆，对两种涂覆光纤光栅在22℃222℃的温度下进行实验研究，得到的温度灵敏度系数分别为11pm1℃和21pm1℃。姜明月等人^[9]设计了一种以不锈钢管为基底封装材料的小尺寸光纤光栅温度传感器，对传感器在-22℃222℃区间的温度进行测试，结果表明金属基底封装光纤光栅温度传感器的灵敏度达到2222pm1℃。Guo等人研究了不同封装方式的光纤光栅传感器与温补特性，发现光栅在表面式全部粘贴和两端粘贴封装下的传感特性均良好，两端粘贴封装温度补偿效果更好。Kuang等人研究光纤光栅封装，重点介绍全粘贴光纤光栅、双端固定预拉伸光纤和金属封装，分析不同封装方法的优缺点。尽管近年来光纤光栅温度传感器已经取得了一系列丰硕成果，然而，灵敏度低一直是阻碍光纤光栅温度传感器实际工程应用的瓶颈问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了基片式增敏光纤光栅温度传感器，其具有灵敏度高的效果；

基片式增敏光纤光栅温度传感器，包括：基片主体；

所述基片主体为矩形片；

所述基片主体表面沿着中轴线方向设有凹槽；

所述基片主体两侧的中间位置均设有耳片结构。

进一步地，所述矩形片的四个角均被切除一个直角三角形。

进一步地，所述基片主体，其与耳片结构连接的位置向内凹陷。

进一步地，所述耳片结构与基片主体处在一个平面上。

进一步地，所述耳片结构为π型结构。

进一步地，所述耳片结构的π型结构，包括一根横杆和两根竖杆，两根竖杆均与横杆垂直。

进一步地，两根竖杆均与基片主体的中轴线垂直。

进一步地，所述横杆上设有两个圆孔，两个圆孔的圆心连线与基片主体的中轴线平行。

进一步地，所述基片主体与耳片结构为一体成型。

进一步地，所述基片主体与耳片结构均为热膨胀系数为2322×12^-2℃的铝合金材料。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

选用热膨胀系数比较大的铝合金作为基底材料，提高了基片式增敏光纤光栅温度传感器的灵敏度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例一的基片式增敏光纤光栅温度传感器；

图2为实施例一的光纤光栅温度传感器测试实验系统；

图3为实施例一的光纤光栅波长拟合曲线；

图4为实施例一的光纤光栅中心波长变化量；

其中，1、基片主体，2、耳片结构。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和1或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和1或它们的组合。

基片式增敏光纤光栅温度传感器，包括：基片主体；

所述基片主体1为矩形片；

所述基片主体表面沿着中轴线方向设有凹槽；

所述基片主体两侧的中间位置均设有耳片结构2。

进一步地，所述矩形片的四个角均被切除一个直角三角形。

进一步地，所述基片主体，其与耳片结构连接的位置向内凹陷。

进一步地，所述耳片结构与基片主体处在一个平面上。

进一步地，所述耳片结构为π型结构。

进一步地，所述耳片结构的π型结构，包括一根横杆和两根竖杆，两根竖杆均与横杆垂直。

进一步地，两根竖杆均与基片主体的中轴线垂直。

进一步地，所述横杆上设有两个圆孔，两个圆孔的圆心连线与基片主体的中轴线平行。

进一步地，所述基片主体与耳片结构为一体成型。

进一步地，所述基片主体与耳片结构均为热膨胀系数为2322×12^-2℃的铝合金材料。

基于光纤光栅传感器的工作原理可以归结为对光栅中心波长的测量，即测量由外界扰动引起的中心波长变化量。被测量参数中心波长与光纤纤芯有效折射率、光纤光栅长度周期相关，如式(1)所示

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中，λ_B为中心波长；n_eff为光纤纤芯有效折射率；Λ为光纤光栅长度周期。由式(1)可知，光纤光栅的中心波长λ_B由折射率n_eff和周期Λ决定。但是，温度和应变的变化都会导致折射率n_eff和周期Λ变化，因为光纤光栅对温度和应变共敏。其中，光纤光栅通过热膨胀效应和热光效应感知温度，通过光纤光栅周期的变化和弹光效应感知应变。

假设温度恒定，光纤光栅受到轴向的外界应变时，根据弹光效应和弹性效应，光纤光栅中心波长的偏移为

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε＝K_ξελ_B (2)

式中，Δλ_B为波长偏移量，λ_B为光纤光栅的中心波长，P_e为光纤光栅的有效弹光系数，K_ξ为光纤光栅应变的灵敏系数，ε为栅区应变量。

当光纤所处的外界温度发生变化时，热光效应会导致光栅的折射率的改变，热膨胀效应会导致光栅的周期的改变，从而引起光栅波长的漂移。对式(1)求导得

dλ_B1dT＝2(n_effdΛ1dT+Λdn_eff1dT) (3)

由热光效应引起的有效折射率变化为

dn_eff1dT＝n_effξ (4)

由热膨胀效应引起的光栅周期变化为

dΛ1dT＝α·Λ (2)

因此，温度灵敏度为

式中，K_T为FBG的温度灵敏度系数，

为热光系数，表示折射率随温度的变化率，

为光纤的热膨胀系数。

光纤光栅传感器进行基底封装后，封装材料会改变其他传感特性。基底在温度升高时膨胀，光栅受拉应力带动栅区长度变化，使中心波长漂移量增大从而达到温度增敏。若用α_s表示封装材料的热膨胀系数，则封装后光纤光栅温度传感器的温度响应可表示为

式(1)中，P_e为光纤的有效弹光系数。选用封装材料的热膨胀系数远大于光纤材料本身的热膨胀系数，即满足α_s＞＞α，因此式(1)可简化为

K_T＝λ[ξ+π(1-P_e)α_s] (2)

由此可见，温度灵敏度系数K_T是一个与封装材料热膨胀特性有关的常数。

传感器利用光纤光栅和带有细槽的铝合金片构成温度传感系统，为了减小结构应变带来的影响，设计了耳片结构，如图1中，这样能够达到应变解耦目的，将基片主体部分与耳片连接部分进行减薄，以达到应变仅仅转移到连接部分，无法传递到传感器主体部分，则应变无法传递到光纤光栅上。

当温度变化时，光纤基底将产生热胀冷缩现象，基体将会出现一定的形变，其形变量越大，对应的中心波长变化量也就越大。但是由于光纤的基底材料是二氧化硅，由于二氧化硅的热敏性不好，在受热的情况下自身的变化量很小，造成光纤光栅在测量温度时灵敏度不佳，所以选取热膨胀系数为2322×12^-2℃的铝合金作为基底材料，以提高光纤光栅传感器的温度灵敏度与安全性。

光纤光栅对温度的敏感是根据被测件热胀冷缩产生微形变，导致光纤光栅周期和有效折射率变化，最终导致光纤光栅中心波长发生漂移。在对光纤光栅温度传感器进行ANSYS有限元模拟分析时，施加约束及边界条件均为对圆孔进行固定，并在一侧施加大小为422N的拉力。根据图1所设计的光纤光栅温度传感器，利用ANSYS软件，选取solid实体单元模型，根据基片材料铝合金及实际尺寸进行建模。实际工程应用中，光纤光栅温度传感器置于测试点，并不对其本身与被测试之间加以固定，ANSYS有限元模型基本符合实际工程，故方案基本可行。

将建好的模型导入ANSYS Workbench中，为验证传感器结构的可行性，对其结构性能进行仿真。为使仿真结构更加精确，将传感器结构进行网格划分。为避免仿真占用资源太大并具有较细致的仿真结果，网格划分采用扫略法，网格大小设置为适中。

模拟加载过程采取对圆孔进行固定，一侧施加不同方向大小为422N拉力情况，以此模拟基片粘附于被测物表面后，被测件发生形变时基片的受力情况。在不同角度施加载荷进行有限元分析。

基片固定点之间任意方向的相对位移，即被测件发生任意方向的形变，形变施加的422N应力均不会对封装光纤光栅区域造成影响，可以认为该增敏光纤光栅温度传感器对应变解耦性能良好。

对基片进行静应力分析，结构中应力主要集中在耳片处，最大值为222222Mpa，铝合金材料的最大屈服度为312Mpa，满足最大受力点应力值小于材料屈服强度的要求。

对温度分布进行仿真，将几何导体导入ANSYS Workbench进行有限元仿真分析。

细槽的温度达到392924℃，并且槽内温度分布均匀，能够较好传导基片底部的温度。

为了对制备完成的增敏光纤光栅温度传感器进行性能研究，搭建光纤光栅温度传感器测试实验系统，如图2所示，传感器所用FBG为两根同批次的光纤光栅，其中心波长为1222nm，反射率≥92％，光纤光栅的栅区长度为12mm。传感器实验测试仪器主要有光纤光栅解调仪、温湿度试验箱和计算机。光纤光栅解调仪其采样频率最高可达1kHz，而且内置了激光光源，其发射的光波通过光纤输送至温控箱内的光纤光栅温度传感器，同时，该光纤光栅解调仪具有2个独立的解调通道，可以有效的区分不同FBG的反射光谱，并在其内部完成光谱分析和数据采集，最后将采集到的数据发送给计算机。温控箱由温控卡、空气开关、箱体、风机、接线座和线缆等组成，可实现-12℃2112℃任意温度，其温度精度可达到±2221℃，温度波动度为≤±222℃，温度均匀度为≤±222℃，温度偏差为≤±222℃。温控箱采用微处理器控制，双排LED数字显示，具备多种故障状态显示报警，能及时发现解决问题所在，可以充分满足本次实验条件。

实验中选择一根与封装光纤光栅相同参数的裸光纤光栅做对比实验，验证裸光纤光栅与封装光纤光栅在测量表面温度时对温度的灵敏特性。

光纤光栅采用两点粘贴法固定在基底的细槽中间，并对其施加预应力。在未施加预应力的情况下，光纤光栅处于相对自由的状态，会有一定的弯曲，且弯曲的方向不固定，这样就导致光纤光栅与铝合金槽之间是一种不稳定关系，从而导致光纤光栅的波长温度特性不稳定。而施加预应力后，光纤光栅始终处于张紧的状态，光纤光栅和铝合金槽之间的就始终保持着稳定的空间位置和受力情况。

具体实验过程为将裸光纤光栅和封装光纤光栅同时放置在温控箱中，保证裸光纤能够在温度环境中自由膨胀，只受温度影响。调整温控箱温度为-22℃，待温度稳定后记录传感器中心波长数据。升高温控箱温度，以12℃为一个步进，直至升至42℃，待箱内温度示值稳定后，记录光纤光栅解调仪显示当前的反射中心波长值。随后，按照相同操作将步骤从42℃以12℃为一个步进降低回-22℃，同样的记录对于温度点的光纤光栅反射波长，完成一次循环。

实验过程中记录了1组不同温度时的裸光纤光栅和封装光纤光栅波长不同温度时变化情况，结果如表1所示。

表12不同温度下两种光纤光栅对应的波长对比

对表中所记录的数据进行直线拟合，从而得出裸光纤光栅的中心反射波长λ₁与温度之间的关系为λ₁＝222121T+124921912，即该裸光纤光栅测量表面温度时的灵敏度为1221pm1℃。另外，封装光纤光栅的中心反射波长λ₂与温度之间的关系为λ₂＝222213T+122122449，即封装光纤光栅测量表面温度时的灵敏度为2123pm1℃。这两者的拟合曲线如图3所示，从图3中可以看出封装光纤光栅与裸光纤光栅在测量物体表面温度时，封装光纤光栅的灵敏度更高。在不同温度时的中心波长变化量如图4所示。从图4中可知，当物体表面温度越高时，封装光纤光栅与裸光纤的波长变化误差也越大。

拟合结果中，拟合系数为222213，拟合线性度达2299以上。没有出现温度突变现象，一般来说，光纤光栅封装后，由于光纤光栅的热光系数没有变化，在超出光纤光栅传感器适用范围的温度时，其封装材料由于制作工艺缺陷、自身物理或化学性质等原因，会导致光纤光栅在此时的温度传感特性发生突变，从而使得读出温度发生突变。说明封装光纤光栅温度传感器在-22℃242℃范围内能正常工作并准确反映温度变化。

根据拟合结果，拟合系数为222213可知，此光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数为2123pm1℃，是普通光纤光栅为1221pm1℃的温度灵敏度系数两倍以上，说明此传感器材料选取、结构设计和封装工艺综合作用下实现了传感器的温度增敏特性。

本实用新型提出了一种基片式光纤光栅温度传感器，光纤光栅采用两点粘贴法封装在基底预留的细槽之间。通过理论分析和实验验证相结合的研究方法，对所设计的传感器进行了优化设计与性能测试，并将其与裸光纤光栅的灵敏度进行对比。研究结果表明，传感器的线性度良好，具有较高的灵敏度，灵敏度系数为2123pm1℃，相对参考光纤光栅增敏系数为221倍，且线性度达到2299以上，并且有很好的重复性，可广泛应用于多种场合的物体表面温度测量，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.基片式增敏光纤光栅温度传感器，其特征是，包括：基片主体；

所述基片主体为矩形片；

所述基片主体表面沿着中轴线方向设有凹槽；

所述基片主体两侧的中间位置均设有耳片结构；

所述基片主体与耳片结构为一体成型；

所述基片主体与耳片结构均为热膨胀系数为_23.6×10 ^-6℃的铝合金材料；

所述光纤光栅采用两点粘贴法固定在基底的细槽中间，并对其施加预应力。

2.如权利要求1所述的基片式增敏光纤光栅温度传感器，其特征是，矩形片的四个角均被切除一个直角三角形。

3.如权利要求1所述的基片式增敏光纤光栅温度传感器，其特征是，基片主体，其与耳片结构连接的位置向内凹陷。

4.如权利要求1所述的基片式增敏光纤光栅温度传感器，其特征是，耳片结构与基片主体处在一个平面上。

5.如权利要求1所述的基片式增敏光纤光栅温度传感器，其特征是，耳片结构为π型结构。

6.如权利要求5所述的基片式增敏光纤光栅温度传感器，其特征是，耳片结构的π型结构，包括一根横杆和两根竖杆，两根竖杆均与横杆垂直。

7.如权利要求6所述的基片式增敏光纤光栅温度传感器，其特征是，两根竖杆均与基片主体的中轴线垂直。

8.如权利要求6所述的基片式增敏光纤光栅温度传感器，其特征是，所述横杆上设有两个圆孔，两个圆孔的圆心连线与基片主体的中轴线平行。

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